JP2013231234A - 超合金の耐応力腐食割れを改善する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
タービン及び発電機の部品を含む金属部材のＳＣＣに対する耐性を改善する必要がある。
【解決手段】
応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する耐性を改善するための処理及び処理された部品が開示される。超合金材料を含む相対的に高い引張強度の部品の表面は、軟化が発生する温度に加熱される。次に、表面は、部品の残りの部分の比較的高い引張強度を保持しながら表面の低い引張強度を維持してＳＣＣ耐性を改善するように、制御された方法で冷却される。
【選択図】 図１

Description

本明細書に記載の主題は、全体的には応力腐食割れ（ＳＣＣ）防止に関する。詳細には、本発明は、タービン及び発電機部品を含む金属部材のＳＣＣに対する耐性を改善する処理に関する。

タービン又は発電機の内部に見られるような過度の応力、熱、及び湿度は、タービン又は発電機の内部の部品に対して有害な環境をもたらす場合がある。内部に不純物を含むこの環境は、タービン及び発電機を構成する部品を腐食させる場合もある。運転応力の下で、この環境は部品のＳＣＣにつながる場合がある。特定の超合金は、合金に殆ど損傷を与えない環境ではＳＣＣの影響を全く又は殆ど受けないが、超合金であっても厳しい環境ではＳＣＣの影響を受ける可能性がある。超合金は、種々の強度範囲で作ることができ、高い引張強度の超合金は、ＳＣＣの影響を更に受ける可能性がある。しかしながら、低い引張強度の部品は、多くの用途で必要な応力に耐えることがでないか、もしくは負荷荷重に耐えるために大きな断面サイズで作ることを必要とする場合がある。

米国特許第７４５９０３７号明細書

タービン及び発電機の部品を含む金属部材のＳＣＣに対する耐性を改善する必要がある。

応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する耐性を改善するための処理及び処理された部品が開示される。超合金材料を含む相対的に高い引張強度の部品の表面は、軟化が発生する温度に加熱される。次に、表面は、部品の残りの部分の比較的高い引張強度を保持しながら表面の低い引張強度を維持してＳＣＣ耐性を改善するように、制御された方法で冷却される。

本発明の第１の態様は、部品を処理して応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する耐性を改善する方法を提供し、本方法は、超合金材料を有する部品の表面を、該表面では軟化が生じるが、部品の内部では軟化が生じない温度に加熱する段階と、ＳＣＣ耐性を改善する表面引張強度を維持するよう制御された方法で部品を冷却する段階とを含み、得られる表面引張強度は、部品の残りの部分で得られる高い引張強度よりも低くなっている。

本発明の第２の態様は、応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する耐性を改善するように処理される部品を提供し、部品は、相対的に高い構造的引張強度を有する構造金属層と、該構造的金属層と共に化学的に均質な材料からなる処理金属層とを備え、処理金属層は、実質的に部品の外面の少なくとも一部を形成し、構造層の引張強度よりも低い処理された引張強度を有し、部品は、超合金材料を有する部品の表面を、部品の外面で軟化が生じる温度に加熱する段階と、ＳＣＣ耐性を改善する得られる表面引張強度を維持するよう制御された方法で部品を冷却する段階とを含むプロセスで形成される。

本開示のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の態様を表した添付図面を参照しながら本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

従来の蒸気タービンを一部切り取った３次元の斜視図。 本発明の態様による種々の固定及び回転部材を示すタービンの一部の部分断面図。 本発明の態様による導加熱器を用いて熱処理される部品の概略図。 本発明の態様による処理された部品の３次元斜視図。

応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する耐性を改善するための処理及び処理部品が開示される。本発明の種々の実施形態は、超合金材料を含む比較的高い引張強度の部品の表面を軟化が発生する温度まで加熱する段階を含む。次に、部品の残りの部分を比較的高い引張強度に保ちながら、表面を、ＳＣＣ耐性を改善する低い引張強度に維持するように、制御された方法で表面を冷却する。

図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態による、従来の多段蒸気タービン１０の一部を切り取った３次元の斜視図を示す。図１は蒸気タービンを示すが、当業者であれば、本発明の教示は、部品がＳＣＣの影響を受ける可能性のある何らかの環境に適用でき、限定されるものではないが、ガスタービン、風力タービン、発電機、航空機エンジン、バルブ、タンク、パイプ、コンテナ、プロペラ、船体、又はＳＣＣが発生する可能性がある厳しい環境で作動する任意の他の物体を含むことを理解できるはずである。それにもかかわらず、図１に示す実施形態において、タービン１０は、凝縮蒸気タービン又は非凝縮蒸気タービンとすることができる。タービン１０は、回転軸１４及び複数の軸方向に離間されたロータホイール１８を有するロータ１２を含む。複数の回転ブレード又は「バケット」２０は、ロータホイール１８の各々に機械的に結合される。詳細には、ブレード２０は列を成して配置され、ロータホイール１８の周りを円周方向に延びる。複数の固定ノズル２２は、軸１４の周りを円周方向に延び、ノズル２２は、ブレード２０の隣接する列の間で軸方向に配置される。固定ノズル２２はブレード２０と協働して段を形成して、タービン１０を通る蒸気又は高温ガスの流路を規定する。

作動時、ガス又は蒸気２４は、タービン１０の入口２６に入り、固定ノズル２２を通って流れる。ノズル２２は、ガス又は蒸気２４を下流のブレード２０に向かわせる。ガス又は蒸気２４は、残りの段を通過してブレード２０上に力を付与し、軸１４を回転させる。少なくともタービン１０の一端は、ロータ１２から離れる方向で軸方向に延びて、限定されるものではないが、発電機及び／又は他のタービン等の負荷又は機械（図示せず）に取り付くことができる。

１つの実施形態において、タービン１０は、５つの段を含むことができる。５つの段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４で参照される。段Ｌ４は、第１段であり５つの段の中で最小（半径方向において）の段である。段Ｌ３は第２段であり、軸方向の次の段である。段Ｌ２は第３段であり、５つの段の真ん中の段である。段Ｌ１は第４段であり最終段の隣の段である。段Ｌ０は最終段であり、最大（半径方向において）の段である。５つの段は例示的に示されており、各タービンは５つの段よりも多い又は少ない段とすることができることを理解されたい。また、本明細書で記載するように、本発明の教示は、多段タービンを必要としない。

次に図２を参照すると、回転部品１０５及び固定部品１１０を有するタービン１０（図１）の一部１００が示される。回転部品１０５は、例えば、複数の円周方向に離間したバケット１２０が取り付けられたロータ１１５を含み、バケットはロータに沿って軸方向に離間して種々のタービン段の一部を形成する。固定部品１１０は、ノズルを形成する隔壁１３０が取り付けられる複数のダイアフラム１２５を含むことができ、ノズルはそれぞれのバケットと一緒にタービン１００の種々の段を形成する。図２に示すように、ダイアフラム１２５の外側リング１３５は、バケット１２０の先端に隣接するシュラウド又はカバー１４５をシールするための１以上のシール歯１４０の列を有する。同様に、ダイアフラム１２５の内側リング１５０には、アーチ形シールセグメント１５５が取り付けられる。シールセグメントは、ロータ１１５をシールするための半径方向内側に突出する高低歯１６０を有する。同様のシールは図示のようにタービン１００の種々の段に設けられ、蒸気又は高温ガスの流路の方向は、矢印１６５で示されている。

タービン１０（図１）内の特定の部品は、作動時にタービン１０内の局所環境によってＳＣＣを起こす場合がある。これらの部品は、限定されるものではないが、バケット又はブレード２０、１２０、ホイール１８、ロータ１２、及び／又は前述の部品の１つを前述の他の部品へ及び／又はタービン１０内の他の部品へ結合するために使用される任意の部品を含む。従来は、高引張強度の合金は、これらの部品を作るために使用できなかった。従って、従来は、このタイプの用途に高力超合金を使用することは望ましくなかった。実際には、これらの部品は、部品に期待される負荷要件を与えることができる最小の引張強度をもつ合金を使用して構成されていた。もしくは、高価な多層及び／又は超高合金を使用してＳＣＣを緩和していた。

本発明の態様は、部品を処理してＳＣＣに対する耐性を改善する方法を含む。この処理は、ＳＣＣ耐性が望まれる部品の表面部分の引張強度を変更する。この表面は、例えば、腐食環境に接触する可能性のある部品の任意の部分とすることができる。部品の残りの部分の引張強度は相対的に変更されない。その結果、内部が相対的に高引張強度（例えば、骨格又は構造層）である全体にわたって均質な化学組成を有するが、応力腐食耐性の、構造層に隣接してこれと一体の低い引張強度の表面（例えば、スキン又は処理層）を有する超合金材料で作られた部品となる。

図３を参照すると、部品２１０に関するＳＣＣ処理の加熱ステージ２００の１つの実施形態が示される。加熱ステージ２００において、部品２１０の表面２１４は例えば誘導加熱器２２０を用いて加熱される。誘導加熱器２２０は、誘導コイル又は表面を加熱するための任意の他の公知の手段又は今後開発される手段を含むことができる。加熱に先だって、部品２１０は、室温と加熱処理が意図された温度未満の高温との間の任意の温度に保つことができる。図３に示すように加熱ステージ２００が誘導加熱器２２０を使用する場合、交流電流（電流）２３０は誘導加熱器２２０のコイル２２４を流れる。１つの実施形態において、電流２３０は、約１００〜４００ｋＨｚの範囲であり１０〜４００ｋＷの間の定格の電源から発生する。いずれにしても、電流２３０は磁界２５０を発生し、磁界は部品２１０に渦電流２４０を誘導する。誘導された渦電流２４０は、材料抵抗に遭遇し、ジュール加熱として知られるメカニズムで金属表面２１４の温度が上昇する。表面２１４の真下の加熱深さとコイル２２４を流れる電流２３０の周波数とは逆比例関係にある。コイル２２４を流れる高周波電流２３０は、表面２１４の浅い層と結合してこれを誘導加熱する。表面２１４の真下の部品２１０の部分は直接加熱されない（しかし、表面２１４からの熱伝導等の二次的なメカニズムの結果とはいえ温度は上昇する）。いずれにしても、加熱ステージ２００は、表面２１４の真下の部品２１０の残りの部分２１６の温度が、相対的に変化しないように及び／又は顕著な軟化が発生しない温度及び時間条件未満の程度に加熱されるように設計される。例示的に、表面２１４は、約０．１２５〜２ｍｍの厚さとすることができる。

本発明において、誘導加熱器２２０は、部品２１０の外側表面２１４を軟化が発生する温度まで加熱するために使用できる。他の方法として、部品の残りの部分の温度を相対的に維持しながら、軟化温度以上の温度に部品の表面を加熱する、限定されるものではないが、レーザ又は放射加熱器を含む、公知の又は今後開発される任意のプロセスを使用できる。

部品２１０は、ニッケル基合金、コバルト基合金、又は鉄基合金を含む任意の超合金タイプからなることができる。この超合金の幾つかの実施例は、限定されるものではないが、ＵＮＳ合金Ｎ０７０４１、Ｎ０７７１８、Ｎ０７７５０、Ｎ１３０１７、及び合金２８２を含む。幾つかの実施形態において、超合金材料は、超合金材料からなる第１の層を有する部品を形成する下層材料、及び超合金材料とは化学的に異なる第２の材料からなる下層材料が接合されている。いずれにしても、多数の超合金の１つの特性は、共通して相対的に高い引張強度で使用される点にある。

いずれにしても、この超合金の大部分は、部分的に熱処理で得られる微視的特性から強度を得る。超合金の種々の原子は固溶体（分散分布）とすることができ、及び／又は析出（凝集）して、周囲マトリックス内に種々のミクロ組織を形成することができる。析出物は、時効熱処理の間の温度及び時間の慎重なプロセスの管理の結果として生じる。微細硬化析出物を溶解する（つまり、固溶体に戻す）又は微細硬化析出物を肥大化するための超合金の焼き鈍しによって軟化材料が生じる。特定の超合金において、このプロセスは、析出物の肥大化に関しては７５０℃以上、例えば７７５℃〜９００℃の範囲で始まる。別の方法として、析出物を分解するためのプロセスにおいて、このプロセスは９００℃以上、例えば１０００℃〜１１００℃の範囲で始まる。誘導加熱器２２０を用いてこの温度に達すると、加熱表面層２１２の何らかの軟化を実現するには数秒又は数分の処理で十分である。

加熱ステージ２００が終了すると、部品２１０の外側表面２１４は、ＳＣＣ耐性を改善する低い引張強度を維持するように制御された方法で冷却される。非超合金用途において、焼き入れとして公知の急冷する方法で行われる加熱された部品の冷却により、引張強度が強化される硬化表面がもたらされる。対照的に、本発明に使用する超合金材料において、部品２１０の急冷は、最終的に外側表面２１４に望まれる低い引張強度をもたらす。この低い引張強度は、冷却速度を管理する任意の複数の方法を用いた冷却期間に得ることができる。１つの急冷方法は、外側表面２１４の温度を所望の温度特性に沿って低減させる温度範囲の及び又は可変温度のガス媒体及び／又は流体媒体に、加熱された部品２１０をさらす段階を含む。また、この方法は、冷却時間の一部又は全てに関して外側表面２１４の温度を熱処理温度と室温の中間に保持するために使用される。これらの冷却速度の制御方法は、独立して、又は互いに協働して使用して、部品の望ましくない残留応力の発生リスクを低減することができる。

硬度（又は微小硬度）の測定は、所望の引張強度が得られたか否かを判定するために引張強度の近似値として取得することができる。幾つかの実施形態において、熱処理は、例えば熱伝導によって、表面２１４以外の部品２１０の一部において引張強度を低下させる可能性があることを理解されたい。これらの実施形態において、大部分の熱処理は表面２１４で生じるが、僅かながら内部の金属層で生じる。従って、１つの実施形態において、予熱ステージ２００の前に、部品２１０は、全体的に内部金属層に関する所望の最終的な引張強度よりも高い引張強度から始まる。その結果、全体的に強度を低下させる（特に表面で）処理後に、開始時よりも弱い引張強度を有する構造層がもたらされるが、最終的な引張強度の要件は満たしている。

図４を参照すると、本発明の実施形態によるＳＣＣ耐性を改善するように処理された部品３１０の３次元の斜視図３００が示されている。図示のように、部品３１０は、内部金属層３１６（例えば、骨格又は構造層）及び外部金属層３１４（例えば、スキン又は処理層）を有している。部品３１０の内部金属層３１６は、比較的高い引張強度を有している。この内部金属層３１６は一般に部品３１０の全体の大部分を占める。部品３１０の外部金属層３１４は、内部金属層の化学組成と均質な超合金化学組成を有する金属からなる。図示のように、外部金属層３１４は、実質的に部品３１０の外面の少なくとも一部を構成する。更に、外部金属層３１４は、前述の加熱及び冷却プロセスで処理されたＳＣＣ耐性を改善する内部金属層３１６よりも低い引張強度をもつことができる。更に、全体的に、外部金属層３１４の深さは部品３１０のごく僅かなので、部品３１０の全体的な強度は、外部層が処理されていない同一の部品と同レベルに維持される。

この点に関して、部品３１０は、タービン１０（図１）の厳しい環境において改善されたＳＣＣ耐性を示し、部品はこれまでは望ましくなかった超合金で作ることができる。従って、限定されるものではないがバケット１２０、膨張ベローズ、ホイール１８、ブレード２０、ロータ１２、発電機保持リング、及び／又は結合部品を含むことができるタービン１０の部品は、最初は比較的高い引張強度の材料から作り、次に低い引張強度、従って改善されたＳＣＣ耐性を有する外部金属層３１４を形成するように処理することができる。更に、処理は、部品３１０の特定の領域だけが処理されるように集中させることができる。この領域は、例えば、ピンが挿入されるバケット２０のダブテールピン穴、ロータ１４の応力がかかる領域、及び／又はバケット１２０のダブテール領域（図２）を含むことができる。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び／又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部材の存在を明示しているが、１以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部材及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、これらの実施形態における要素の様々な組合せ、変形又は改良を当業者が行なうことができ、これらもまた本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本開示は、本開示を実施するよう企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本開示は請求項の範囲に属する全ての実施形態を含むものとする。

１０ タービン
１００ タービン
１２ ロータ
１４ 軸
１８ ホイール
２０ ブレード
２２ ノズル
２４ ガス又は蒸気
２６ 入口
Ｌ４ 第１段
Ｌ３ 第２段
Ｌ２ 第３段
Ｌ１ 第４段
Ｌ０ 最終段
１０５ 回転部品
１１０ 固定部品
１１５ ロータ
１２０ バケット
１２５ ダイアフラム
１３０ 障壁
１３５ 外側リング
１４０ シール歯
１４５ カバー
１５０ 内側リング
１５５ シールセグメント
１６０ 高低歯
１６５ 矢印
２００ 加熱ステージ
２１０ 部品
３１０ 部品
２１４ 表面
２１６ 残りの部分
２２０ 誘導加熱器
２２４ コイル
２３０ 電流
２４０ 渦電流
２５０ 磁界
３００ ３次元斜視図
３１４ 外部金属層
３１６ 内部金属層

Claims (20)

1. 部品を処理して応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する耐性を改善する方法であって、
   超合金材料を有する前記部品の表面を、該表面では軟化が生じるが、前記部品の内部では軟化が生じない温度に加熱する段階と、
   ＳＣＣ耐性を改善する表面引張強度を維持するよう制御された方法で、前記部品を冷却する段階と
   を含み、得られる前記表面引張強度は、前記部品の残りの部分で得られる高い引張強度よりも低いことを特徴とする方法。
2. 前記加熱する段階は、誘導加熱する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記温度は、９００℃よりも高い、請求項１記載の方法。
4. 前記加熱する段階及び冷却する段階は、前記表面の少なくとも部分的な軟化を生じさせる、請求項１記載の方法。
5. 前記冷却する段階は、
   加熱装置を部品に対する作動位置に保持する段階と、
   所望の熱特性に沿って前記表面の温度を低減させるように前記加熱装置を調節する段階と
   を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記部品は、発電機部品を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記発電機部品は、発電機ロータ又は発電機保持リングからなる群から選択される、請求項６記載の方法。
8. 前記部品は、タービン部品を含む、請求項１記載の方法。
9. 前記タービン部品は、タービンブレード、ダブテールピン、又はタービンロータからなる群から選択される、請求項８記載の方法。
10. 前記表面の材料は、前記部品の残りの部分の材料と共に化学的に均質である、請求項１記載の方法。
11. 前記部品は、超合金材料からなる第１の層と、化学的に超合金材料とは異なる第２の材料からなる下層とを備え、加熱前に前記第１の層は前記下層に結合される、請求項１記載の方法。
12. 相対的に高い構造的引張強度を有する構造金属層と、
    前記構造的金属層と共に化学的に均質な材料からなる処理金属層と
    を備える部品であって、
    前記処理金属層は、実質的に前記部品の外面の少なくとも一部を形成し、前記構造層の引張強度よりも低い処理された引張強度を有し、前記部品は、
    超合金材料を有する前記部品の表面を、前記部品の外面で軟化が生じる温度に加熱する段階と、
    ＳＣＣ耐性を改善する得られる表面引張強度を維持するよう制御された方法で前記部品を冷却する段階と
    を含むプロセスで形成される部品。
13. 前記加熱する段階は、誘導加熱する段階を含む、請求項１２記載の部品。
14. 前記温度は、９００℃以上に上昇される、請求項１２記載の部品。
15. 前記加熱する段階及び冷却する段階は、前記表面の少なくとも部分的な軟化を生じさせる、請求項１２記載の部品。
16. 前記冷却する段階は、
    加熱装置を部品に対する作動位置に保持する段階と、
    所望の熱特性に沿って前記表面の温度を低減させるように前記加熱装置を調節する段階と
    を含む、請求項１２記載の部品。
17. 前記部品は、発電機部品を含む、請求項１２記載の部品。
18. 前記発電機部品は、発電機ロータ又は発電機保持リングからなる群から選択される、請求項１７記載の部品。
19. 前記部品は、タービン部品を含む、請求項１２記載の部品。
20. 前記タービン部品は、タービンブレード、ダブテールピン、又はタービンロータからなる群から選択される、請求項１９記載の部品。